DE102015217200A1

DE102015217200A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE102015217200A1
Application number: DE102015217200.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Ketelaer; Fabian Franzmann
Original assignee: Sauer GmbH and Co KG
Current assignee: Sauer GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-09
Also published as: CN108603783B; KR102168075B1; CN108603783A; KR20180093876A; EP3347685A1; RU2018112241A; US20180281142A1; JP2018532600A; RU2018112241A3; WO2017042365A1; RU2719333C2; US10821568B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs 3, mit den Schritten: Erzeugen eines Lichtstrahls 23 einer Lichtschranke 2 mit einem Sender 21 zum Erzeugen des Lichtstrahls 23 und einem Empfänger 22 zum Detektieren einer Lichtstärke des Lichtstrahls 23; Erzeugen eines Empfängersignals basierend auf einer von dem Empfänger 22 der Lichtschranke 2 detektierten Lichtstärke des Lichtstrahls 23; Positionieren einer Werkzeugspitze 31 des Werkzeugs 3 in dem Lichtstrahl 23; Versetzen des Werkzeugs 3 in eine Schwingung; Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs 3 aus einer durch die Schwingung des Werkzeugs 3 bewirkten Modulation des Empfängersignals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen bei einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug der Rotationsbewegung des Werkzeugs eine Ultraschallschwingung des Werkzeugs überlagert werden kann.
EP 1 763 416 B1 beschreibt in diesem Zusammenhang ein Werkzeug mit einem Werkzeughalter, der an einem ersten Ende eine Werkzeughalteraufnahme zum Adaptieren an eine drehbare Spindelnase, und an einem zweiten, dem ersten gegenüberliegenden Ende eine Werkzeugaufnahme aufweist, und mit einem in die Werkzeugaufnahme einsetzbaren Werkzeugkopf, wobei der Werkzeughalter einen Schwingungsmotor umfasst.
Um das Werkzeug in die Ultraschallschwingung zu versetzen, kann beispielsweise ein Piezo-Antrieb verwendet werden, wobei eine elektrische Spannung eine Änderung der Dicke der Piezoscheiben hervorruft. Für bestimmte Frequenzen entsteht dabei eine stehende Welle im Werkzeughalter (resonante Anregung).
Dabei ist zu beachten, dass die Resonanzfrequenzen sowie die Schwingungsamplituden in Resonanz von den Eigenschaften des eingesetzten Werkzeugs wie dessen Geometrie oder Material abhängen, so dass der Werkzeughalter nicht bereits ab Werk auf eine bestimmte Schwingungsamplitude geeicht werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem die Schwingungsamplitude eines schwingenden Werkzeugs gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs hat die Schritte: Erzeugen eines Lichtstrahls einer Lichtschranke mit einem Sender zum Erzeugen des Lichtstrahls und einem Empfänger zum Detektieren einer Lichtstärke des Lichtstrahls; Erzeugen eines Empfängersignals basierend auf einer von dem Empfänger der Lichtschranke detektierten Lichtstärke des Lichtstrahls; Positionieren einer Werkzeugspitze des Werkzeugs in dem Lichtstrahl; Versetzen des Werkzeugs in eine Schwingung; Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus einer durch die Schwingung des Werkzeugs bewirkten Modulation des Empfängersignals.
Auf diese Weise wird eine werkzeugspezifische Messung der tatsächlichen Schwingungsamplitude einer Werkzeugschwingung beispielsweise im Ultraschallfrequenzbereich in der Werkzeugmaschine selbst ermöglicht. Als Lichtschranke kann dabei ein herkömmlicher Werkzeugvermessungslaser verwendet werden, der häufig bereits in der Werkzeugmaschine vorhanden ist. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig ohne konstruktive Veränderungen an der Werkzeugmaschine durchführbar, da es mit der bereits vorhandenen Ausstattung der Werkzeugmaschine ohne zusätzliche Installationen im Maschineninnenraum durchgeführt werden kann. Darüber hinaus erfolgt die Messung der Schwingungsamplitude mit Hilfe der Lichtschranke berührungslos, so dass das Werkzeug nicht beschädigt werden kann.
Vorzugsweise wird vor dem Versetzen des Werkzeugs in die Schwingung die Position der Werkzeugspitze in dem Lichtstrahl derart variiert, dass sich eine Signalstärke des Empfängersignals in Abhängigkeit der Position der Werkzeugspitze ändert.
Dies hat den Vorteil, dass weder die Funktionsfähigkeit noch die Genauigkeit des Verfahrens durch die Geometrie oder das Material des Werkzeugs beeinflusst wird, da allein der Grad der Abschattung des Lichtstrahls durch das Werkzeug für die Amplitudenmessung entscheidend ist.
Vorzugsweise wird die Position der Werkzeugspitze in einem Bereich innerhalb des Lichtstrahls schrittweise entlang einer Richtung senkrecht zum Lichtstrahl variiert und bei jedem Schritt der Position der Werkzeugspitze eine entsprechende Signalstärke des Empfängersignals zugeordnet.
Auf diese Weise erfolgt eine Kalibration des Systems für eine absolute Amplitudenmessung. Bei der Kalibration wird funktionaler Zusammenhang zwischen der Position der Werkzeugspitze und der Signalstärke des Empfängersignals ermittelt, so dass zu einem späteren Zeitpunkt aus einer gemessenen Signalstärke des Empfängersignals die zugehörige Position der Werkzeugspitze bestimmt werden kann.
Vorzugsweise wird die Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus einer Differenz der maximalen Signalstärke und der minimalen Signalstärke des Empfängersignals ermittelt.
Nach erfolgter Kalibration kann für ein schwingendes Werkzeug aus der maximalen Signalstärke eine erste Position der Werkzeugspitze und aus der minimalen Signalstärke eine zweite Position der Werkzeugspitze ermittelt werden. Die Differenz dieser beiden Positionen liefert die Amplitude der Werkzeugschwingung.
Vorzugsweise entspricht die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl einer Richtung einer Werkzeugachse.
Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude für ein in axialer Richtung schwingendes Werkzeug ermittelt werden.
Alternativ entspricht die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl vorzugsweise einer Richtung senkrecht zu einer Werkzeugachse.
Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude für Werkzeug ermittelt werden, das in einer Richtung senkrecht zur Werkzeugachse schwingt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Charakterisierung der Werkzeugschwingung in mehreren Richtungen.
Vorzugsweise ist das Empfängersignal ein von dem Empfänger erzeugtes, zu der von dem Empfänger detektierten Lichtstärke proportionales, analoges Spannungssignal.
Dies hat den Vorteil, dass die nötigen Berechnungen aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Lichtstärke und Spannung einfach und schnell durchzuführen sind.
Vorzugsweise wird das Werkzeug derart in die Schwingung versetzt, dass die Werkzeugspitze innerhalb des Lichtstrahls schwingt.
Beispielsweise wird die schwingende Werkzeugspitze zum Zweck der Messung der Schwingungsamplitude so in der Lichtschranke positioniert, dass die Werkzeugspitze einen in etwa gleichen Abstand zu Sender und Empfänger hat und sich in etwa in der Mitte des Lichtstrahldurchmessers befindet. Der Lichtstrahldurchmesser wird so breit gewählt, dass die Werkzeugspitze vollständig innerhalb des Lichtstrahls schwingt. Auf diese Weise bildet die Modulation des Empfängersignals direkt die Werkzeugschwingung ab.
Vorzugsweise hat das erfindungsgemäße Verfahren die weiteren Schritte: Erzeugen eines Sensorsignals aus der Schwingung des in einem Werkzeughalter angeordneten Werkzeugs durch eine in dem Werkzeughalter angeordnete Sensoreinrichtung; Ermitteln einer Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs aus dem Sensorsignal in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude des Werkzeugs; Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus dem Sensorsignal.
Dies hat den Vorteil, dass nach einmal erfolgter Kalibrierung für ein bestimmtes Werkzeug mit Hilfe der Lichtschranke die Lichtschranke für die Amplitudenmessung nicht mehr nötig ist und entfernt werden kann, da die Schwingungsamplitude des schwingenden Werkzeugs direkt aus dem Sensorsignal ermittelt werden kann.
Vorzugsweise wird die Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs schrittweise variiert und bei jedem Schritt der Schwingungsfrequenz eine entsprechende Schwingungsamplitude des Werkzeugs zugeordnet.
In anderen Worten, es erfolgt eine zweistufige Kalibrierung derart, dass zunächst ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Position der Werkzeugspitze und der Signalstärke des Empfängersignals ermittelt wird, so dass für ein schwingendes Werkzeug aus dem minimalen und dem maximalen Wert des Empfängersignals auf die Schwingungsamplitude geschlossen werden kann. Anschließend wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Schwingungsamplitude und der Schwingungsfrequenz ermittelt, so dass für das schwingende Werkzeug aus einer gemessenen Schwingungsfrequenz auf die Schwingungsamplitude geschlossen werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs weist auf: eine Lichtschranke mit einem Sender zum Erzeugen eines Lichtstrahls und einem Empfänger zum Detektieren einer Lichtstärke des Lichtstrahls und zum Erzeugen eines Empfängersignals basierend auf der detektierten Lichtstärke; eine Einrichtung zum Positionieren einer Werkzeugspitze des Werkzeugs in dem Lichtstrahl; eine Einrichtung zum Versetzen des Werkzeugs in eine Schwingung; und eine Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus aus einer durch die Schwingung des Werkzeugs bewirkten Modulation des Empfängersignals.
Auf diese Weise wird eine werkzeugspezifische Messung der tatsächlichen Schwingungsamplitude einer Werkzeugschwingung beispielsweise im Ultraschallfrequenzbereich in der Werkzeugmaschine selbst ermöglicht. Als Lichtschranke kann dabei ein herkömmlicher Werkzeugvermessungslaser verwendet werden, der häufig bereits in der Werkzeugmaschine vorhanden ist. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig ohne konstruktive Veränderungen an der Werkzeugmaschine mit der bereits vorhandenen Ausstattung der Werkzeugmaschine ohne zusätzliche Installationen im Maschineninnenraum eingerichtet werden. Darüber hinaus erfolgt die Messung der Schwingungsamplitude mit Hilfe der Lichtschranke berührungslos, so dass das Werkzeug nicht beschädigt werden kann.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Positionieren der Werkzeugspitze dazu eingerichtet, die Position der Werkzeugspitze in dem Lichtstrahl derart zu variieren, dass sich eine Signalstärke des Empfängersignals in Abhängigkeit der Position der Werkzeugspitze ändert.
Dies hat den Vorteil, dass weder die Funktionsfähigkeit noch die Genauigkeit der Vorrichtung durch die Geometrie oder das Material des Werkzeugs beeinflusst wird, da allein der Grad der Abschattung des Lichtstrahls durch das Werkzeug für die Amplitudenmessung entscheidend ist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Zuordnen der Signalstärke des Empfängersignals zu der Position der Werkzeugspitze auf, wobei die Einrichtung zum Positionieren der Werkzeugspitze dazu eingerichtet ist, die Position der Werkzeugspitze in einem Bereich innerhalb des Lichtstrahls schrittweise entlang einer Richtung senkrecht zum Lichtstrahl zu variieren, und die Einrichtung zum Zuordnen der Signalstärke des Empfängersignals zu der Position der Werkzeugspitze dazu eingerichtet ist, bei jedem Schritt der Position der Werkzeugspitze eine entsprechende Signalstärke des Empfängersignals zuzuordnen.
Auf diese Weise erfolgt eine Kalibration des Systems für eine absolute Amplitudenmessung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei der Kalibration wird funktionaler Zusammenhang zwischen der Position der Werkzeugspitze und der Signalstärke des Empfängersignals ermittelt, so dass zu einem späteren Zeitpunkt aus einer gemessenen Signalstärke des Empfängersignals die zugehörige Position der Werkzeugspitze bestimmt werden kann.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs dazu eingerichtet, die Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus einer Differenz der maximalen Signalstärke und der minimalen Signalstärke des Empfängersignals zu ermitteln.
Nach erfolgter Kalibration kann mit der Vorrichtung für ein schwingendes Werkzeug aus der maximalen Signalstärke eine erste Position der Werkzeugspitze und aus der minimalen Signalstärke eine zweite Position der Werkzeugspitze ermittelt werden. Die Differenz dieser beiden Positionen liefert die Amplitude der Werkzeugschwingung.
Vorzugsweise entspricht die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl einer Richtung einer Werkzeugachse.
Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude für ein in axialer Richtung schwingendes Werkzeug ermittelt werden.
Alternativ entspricht die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl vorzugsweise einer Richtung senkrecht zu einer Werkzeugachse.
Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude für Werkzeug ermittelt werden, das in einer Richtung senkrecht zur Werkzeugachse schwingt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also eine Charakterisierung der Werkzeugschwingung in mehreren Richtungen.
Vorzugsweise ist der Empfänger der Lichtschranke dazu eingerichtet, das Empfängersignal als ein zu der von dem Empfänger detektierten Lichtstärke proportionales, analoges Spannungssignal zu erzeugen.
Dies hat den Vorteil, dass die nötigen Berechnungen aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Lichtstärke und Spannung einfach und schnell durchzuführen sind.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Versetzen des Werkzeugs in die Schwingung dazu eingerichtet, das Werkzeug derart in die Schwingung zu versetzen, dass die Werkzeugspitze innerhalb des Lichtstrahls schwingt.
Beispielsweise wird die schwingende Werkzeugspitze zum Zweck der Messung der Schwingungsamplitude so in der Lichtschranke positioniert, dass die Werkzeugspitze einen in etwa gleichen Abstand zu Sender und Empfänger hat und sich in etwa in der Mitte des Lichtstrahldurchmessers befindet. Der Lichtstrahldurchmesser wird so breit gewählt, dass die Werkzeugspitze vollständig innerhalb des Lichtstrahls schwingt. Auf diese Weise bildet die Modulation des Empfängersignals direkt die Werkzeugschwingung ab.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin auf: einen Werkzeughalter zum Aufnehmen des Werkzeugs; eine in dem Werkzeughalter angeordnete Sensoreinrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals aus der Schwingung des Werkzeugs; eine Einrichtung zum Ermitteln einer Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs aus dem Sensorsignal in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude des Werkzeugs; und eine Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs aus dem Sensorsignal.
Dies hat den Vorteil, dass nach einmal erfolgter Kalibrierung für ein bestimmtes Werkzeug mit Hilfe der Lichtschranke die Lichtschranke für die Amplitudenmessung nicht mehr nötig ist und entfernt werden kann, da die Schwingungsamplitude des schwingenden Werkzeugs direkt aus dem Sensorsignal ermittelt werden kann.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin auf: eine Einrichtung zum schrittweise Variieren der Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs, und eine Einrichtung zum Zuordnen der Schwingungsamplitude des Werkzeugs zu der Schwingungsfrequenz, wobei die Einrichtung zum Zuordnen der Schwingungsamplitude des Werkzeugs zu der Schwingungsfrequenz dazu eingerichtet ist, bei jedem Schritt der Schwingungsfrequenz eine entsprechende Schwingungsamplitude des Werkzeugs zuzuordnen.
In anderen Worten, die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine zweistufige Kalibrierung derart, dass zunächst ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Position der Werkzeugspitze und der Signalstärke des Empfängersignals ermittelt wird, so dass für ein schwingendes Werkzeug aus dem minimalen und dem maximalen Wert des Empfängersignals auf die Schwingungsamplitude geschlossen werden kann. Anschließend wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Schwingungsamplitude und der Schwingungsfrequenz ermittelt, so dass für das schwingende Werkzeug aus einer gemessenen Schwingungsfrequenz auf die Schwingungsamplitude geschlossen werden kann.
Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auf und ist dazu eingerichtet, die Schwingungsamplitude der Schwingung des Werkzeugs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt beispielhaft einen Werkzeughalter zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert anhand von Ausführungsbeispielen und beispielhaften Figuren beschrieben und erläutert.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gezeigt ist eine Lichtschranke 2 mit einem Sender 21, die einen Lichtstrahl 23 (in 1 nicht sichtbar) erzeugt und einem Empfänger 22, der die Lichtstärke des Lichtstrahls 23 detektiert. Als Lichtschranke 2 kann beispielsweise ein System zur berührungslosen Werkzeugbrucherkennung von RENISHAW oder ein BLUM Lasersystem zur Werkzeugkontrolle und Bruchkontrolle verwendet werden, bei dem ein gebündelter Laserstrahl 23 vom Sender 21 ausgesendet wird und der Empfänger 22 so ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl 23 auf dem Empfänger 22 auftrifft. Diese Laserlichtschranke 2 wird mit Hilfe eines Träger- oder Montagesystems im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine 1 innerhalb des Verfahrbereichs der Achsen für das Werkzeug 3 montiert. Der Anbau der Lichtschranke 2 ist auf oder neben dem Maschinentisch möglich. Der Empfänger 22 erzeugt ein Empfängersignal, das zu der detektierten Lichtstärke proportional ist und als analoges Spannungssignal vom Empfänger 22 ausgegeben wird.
Der Werkzeughalter 11 wird so positioniert, dass sich die Werkzeugspitze 31 des Werkzeugs 3, das in dem Werkzeughalter 11 aufgenommen ist, zwischen dem Sender 21 und dem Empfänger 22 in dem Lichtstrahl 23 der Lichtschranke 2 befindet und so den Lichstrahl 23 abschattet. Wenn das Werkzeug 3 in eine Ultraschallschwingung versetzt wird, ändert sich der Grad der Abschattung aufgrund der im Lichtstrahl 23 schwingenden Werkzeugspitze 31. Dies führt zu einer Modulation des Empfängersignals, aus der die Schwingungsamplitude der Werkzeugschwingung ermittelt werden kann.
Dieses Grundprinzip der Erfindung wird anhand von 2 im Einzelnen erläutert. Zunächst wird das System kalibriert. Dazu wird die Werkzeugspitze 31 des nicht schwingenden Werkzeugs 3 nahe am Lichtstrahl 23 im Bereich der Strahltaille positioniert. An der Strahltaille ist der Durchmesser des Lichtstrahls 23 am kleinsten. Die Werkzeugachse 32 ist senkrecht zum Lichtstrahl 23 ausgerichtet. Dann wird die Werkzeugspitze 31 mit Hilfe der verfahrbaren Achsen der Werkzeugmaschine 1 in Schritten von z.B. 1 µm in der Richtung entlang der Werkzeugachse 32 durch den Lichtstrahl 23 gefahren. Dadurch wird der Lichtstrahl 23 zunehmend abgeschattet. Bei jedem Schritt wird die Lichtstärke vom Empfänger 22 gemessen, in das Empfängersignal umgewandelt und der Wert der Spannung der aktuellen Werkzeugposition zugeordnet. Auf diese Weise erhält man eine Funktion der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Spannung. Der Durchmesser der Strahltaille ist dabei so groß, dass man mehrere Positionierungsschritte benötigt, um von voller Lichtstärke auf völlige Abschattung zu kommen und deutlich größer als die maximal zu erwartende Schwingungsamplitude der Werkzeugspitze 31.
Nach erfolgter Kalibrierung kann die Schwingungsamplitude folgendermaßen ermittelt werden: Die Werkzeugspitze 31 wird in etwa mittig bezüglich der Strahltaille und bezüglich des Senders 21 und des Empfängers 22 im Lichtstrahl 23 positioniert und zu einer Ultraschallschwingung angeregt. Die schwingende Werkzeugspitze 31 bewirkt so eine Modulierung des zur Lichtstärke proportionalen Empfängersignals. Aus dem Spitze-Spitze-Wert des Empfängersignals wird mit Hilfe der zuvor ermittelten Funktion der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Spannung die Schwingungsamplitude bestimmt.
Bei der Kalibrierung kann auch so vorgegangen werden, dass die Werkzeugspitze 31 nicht entlang der Werkzeugachse 32 verschoben wird, sondern in einer Richtung, die senkrecht zur Werkzeugachse 32 und senkrecht zum Lichtstrahl 23 ist. Diese Kalibrierung wird verwendet, um die Schwingungsamplitude der Werkzeugschwingung in der Richtung senkrecht zur Werkzeugachse 32 zu ermitteln.
3 zeigt beispielhaft einen Werkzeughalter 11 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit dem nach erfolgter Kalibrierung die Schwingungsamplitude des Werkzeugs 3 auch ohne die Lichtschranke 2 gemessen werden kann. Dazu wird das System folgendermaßen kalibriert.
Zunächst wird, wie anhand von 2 beschrieben, die Funktion der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Spannung des Empfängersignals ermittelt.
Der Werkzeughalter 11 ist mit einer Sensoreinrichtung 12 ausgestattet, die aus der Werkzeugschwingung ein Sensorsignal erzeugt, das die Information über die Schwingungsfrequenz der Werkzeugschwingung enthält. Das Sensorsignal kann außerhalb des Werkzeughalters 11 von einer Analyseeinrichtung (nicht gezeigt) ausgewertet werden.
Das Werkzeug 3 wird nun in eine Ultraschallschwingung versetzt. Dies kann derart erfolgen, dass ein Generator (nicht gezeigt) ein Piezo-Element 13 im Werkzeughalter 11 zu einer mechanischen Schwingung anregt, die auf das Werkzeug 3 übertragen wird. Die Frequenz der Schwingung kann aus dem von der Sensoreinrichtung 12 erzeugten Sensorsignal ermittelt werden; die Amplitude kann aus dem von dem Empfänger 12 der Lichtschranke 2 erzeugten Empfängersignal ermittelt werden.
Anschließend wird die Schwingungsfrequenz des Werkzeugs 3 schrittweise variiert, beispielsweise, indem die Anregungsfrequenz des Generators variiert wird. Bei jedem Schritt wird die Schwingungsfrequenz sowie die Schwingungsamplitude gemessen und die Schwingungsfrequenz der jeweiligen Schwingungsamplitude zugeordnet. So erhält man eine Funktion der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz. Nun kann die Lichtschranke 2 entfernt werden.
Die Schwingungsamplitude eines Werkzeugs 3 kann nach so erfolgter Kalibrierung des Systems ohne Zuhilfenahme der Lichtschranke 2 ermittelt werden. Dazu wird das Werkzeug 3 in Schwingung versetzt und die Schwingungsfrequenz aus dem Sensorsignal bestimmt. Aus der zuvor ermittelten Funktion der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz kann die zugehörige Schwingungsamplitude bestimmt werden.
4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Einrichtung 41 zum Positionieren der Werkzeugspitze 31 kann beispielsweise in Form verfahrbarer Achsen vorliegen, die von der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine 1 einzeln verfahren werden können und so den an einer der Achsen aufgenommenen Werkzeughalter 11 mit dem Werkzeug 3 an die gewünschte Position bringen. Die Einrichtung 13 zum Versetzen des Werkzeugs 3 in eine Schwingung kann dem Piezo-Element 13 in 3 in dem Werkzeughalter 11 entsprechen. Die Einrichtung 46 zum Variieren der Schwingungsfrequenz des Werkzeugs 3 kann als ein Generator ausgebildet sein, der das Piezo-Element 13 mit einer bestimmten Anregungsfrequenz zu der Ultraschallschwingung anregt, wobei diese Anregungsfrequenz variiert werden kann.
Die Einrichtung 42 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Empfängersignal, die Einrichtung 43 zum Zuordnen der Signalstärke zu der Position der Werkzeugspitze, die Einrichtung 44 zum Ermitteln der Schwingungsfrequenz, die Einrichtung 45 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Sensorsignal, die Einrichtung 46 zum Variieren der Schwingungsfrequenz und die Einrichtung 47 zum Zuordnen der Schwingungsamplitude zu der Schwingungsfrequenz können Teil der Elektronik der Werkzeugmaschine 1 sein.
Dabei kann die Einrichtung 43 zum Zuordnen der Signalstärke zu der Position der Werkzeugspitze mit dem Empfänger 22 der Lichtschranke 2 verbunden sein, um das Empfängersignal zu von dem Empfänger 22 zu empfangen. Darüber hinaus kann die Einrichtung 43 zum Zuordnen der Signalstärke zu der Position der Werkzeugspitze die Kalibrierungsinformationen an die Einrichtung 42 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Empfängersignal übermitteln, die ebenfalls ein Empfängersignal von dem Empfänger 22 erhält.
Die Einrichtung 44 zum Ermitteln der Schwingungsfrequenz kann mit der Sensoreinrichtung 12 im Werkzeughalter 11 verbunden sein, um das Sensorsignal von der Sensoreinrichtung 12 zu empfangen. Darüber hinaus kann die Einrichtung 44 zum Ermitteln der Schwingungsfrequenz Daten über die Schwingungsfrequenz an die Einrichtung 47 zum Zuordnen der Schwingungsamplitude zu der Schwingungsfrequenz übermitteln, die wiederum Informationen über die Schwingungsamplitude von der Einrichtung 42 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Empfängersignal erhält.
Die Einrichtung 47 zum Zuordnen der Schwingungsamplitude zu der Schwingungsfrequenz gibt die Kalibrierungsinformationen an die Einrichtung 45 zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Sensorsignal weiter, die zusätzlich das Sensorsignal von der Sensoreinrichtung 12 empfängt.
Es können auch mehrere oder alle der Einrichtungen 42 bis 45 und 47 zu einer Einrichtung zusammengefasst sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr können die einzelnen Aspekte bzw. einzelnen Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeugmaschine
11: Werkzeughalter
12: Sensoreinrichtung
13: Piezo-Element
2: Lichtschranke
21: Sender
22: Empfänger
23: Lichtstrahl
3: Werkzeug
31: Werkzeugspitze
32: Werkzeugachse
41: Einrichtung zum Positionieren der Werkzeugspitze
42: Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Empfängersignal
43: Einrichtung zum Zuordnen der Signalstärke zu der Position der Werkzeugspitze
44: Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsfrequenz
45: Einrichtung zum Ermitteln der Schwingungsamplitude aus dem Sensorsignal
46: Einrichtung zum Variieren der Schwingungsfrequenz
47: Einrichtung zum Zuordnen der Schwingungsamplitude zu der
: Schwingungsfrequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1763416 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs (3), mit den Schritten: Erzeugen eines Lichtstrahls (23) einer Lichtschranke (2) mit einem Sender (21) zum Erzeugen des Lichtstrahls (23) und einem Empfänger (22) zum Detektieren einer Lichtstärke des Lichtstrahls (23); Erzeugen eines Empfängersignals basierend auf einer von dem Empfänger (22) der Lichtschranke (2) detektierten Lichtstärke des Lichtstrahls (23); Positionieren einer Werkzeugspitze (31) des Werkzeugs (3) in dem Lichtstrahl (23); Versetzen des Werkzeugs (3) in eine Schwingung; Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus einer durch die Schwingung des Werkzeugs (3) bewirkten Modulation des Empfängersignals.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Versetzen des Werkzeugs (3) in die Schwingung die Position der Werkzeugspitze (31) in dem Lichtstrahl (23) derart variiert wird, dass sich eine Signalstärke des Empfängersignals in Abhängigkeit der Position der Werkzeugspitze (31) ändert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Position der Werkzeugspitze (31) in einem Bereich innerhalb des Lichtstrahls (23) schrittweise entlang einer Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) variiert wird und bei jedem Schritt der Position der Werkzeugspitze (31) eine entsprechende Signalstärke des Empfängersignals zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus einer Differenz der maximalen Signalstärke und der minimalen Signalstärke des Empfängersignals ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) einer Richtung einer Werkzeugachse (32) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) einer Richtung senkrecht zu einer Werkzeugachse (32) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfängersignal ein von dem Empfänger (22) erzeugtes, zu der von dem Empfänger (22) detektierten Lichtstärke proportionales, analoges Spannungssignal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (3) derart in die Schwingung versetzt wird, dass die Werkzeugspitze (31) innerhalb des Lichtstrahls (23) schwingt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den weiteren Schritten: Erzeugen eines Sensorsignals aus der Schwingung des in einem Werkzeughalter (11) angeordneten Werkzeugs (3) durch eine in dem Werkzeughalter (11) angeordnete Sensoreinrichtung (12); Ermitteln einer Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs (3) aus dem Sensorsignal in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3); Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus dem Sensorsignal.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs (3) schrittweise variiert wird und bei jedem Schritt der Schwingungsfrequenz eine entsprechende Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) zugeordnet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Schwingungsamplitude eines Werkzeugs (3), mit einer Lichtschranke (2) mit einem Sender (21) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (23) und einem Empfänger (22) zum Detektieren einer Lichtstärke des Lichtstrahls (23) und zum Erzeugen eines Empfängersignals basierend auf der detektierten Lichtstärke; einer Einrichtung (41) zum Positionieren einer Werkzeugspitze (31) des Werkzeugs (3) in dem Lichtstrahl (23); einer Einrichtung (13) zum Versetzen des Werkzeugs (3) in eine Schwingung; und einer Einrichtung (42) zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus einer durch die Schwingung des Werkzeugs (3) bewirkten Modulation des Empfängersignals.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung (41) zum Positionieren der Werkzeugspitze (31) dazu eingerichtet ist, die Position der Werkzeugspitze (31) in dem Lichtstrahl (23) derart zu variieren, dass sich eine Signalstärke des Empfängersignals in Abhängigkeit der Position der Werkzeugspitze (31) ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einer Einrichtung (43) zum Zuordnen der Signalstärke des Empfängersignals zu der Position der Werkzeugspitze (31), wobei die Einrichtung (41) zum Positionieren der Werkzeugspitze (31) dazu eingerichtet ist, die Position der Werkzeugspitze (31) in einem Bereich innerhalb des Lichtstrahls (23) schrittweise entlang einer Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) zu variieren, und die Einrichtung (43) zum Zuordnen der Signalstärke des Empfängersignals zu der Position der Werkzeugspitze (31) dazu eingerichtet ist, bei jedem Schritt der Position der Werkzeugspitze (31) eine entsprechende Signalstärke des Empfängersignals zuzuordnen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Einrichtung (42) zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) dazu eingerichtet ist, die Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus einer Differenz der maximalen Signalstärke und der minimalen Signalstärke des Empfängersignals zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) einer Richtung einer Werkzeugachse (32) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die Richtung senkrecht zum Lichtstrahl (23) einer Richtung senkrecht zu einer Werkzeugachse (32) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Empfänger (22) der Lichtschranke (2) dazu eingerichtet ist, das Empfängersignal als ein zu der von dem Empfänger (22) detektierten Lichtstärke proportionales, analoges Spannungssignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Einrichtung (13) zum Versetzen des Werkzeugs (3) in die Schwingung dazu eingerichtet ist, das Werkzeug (3) derart in die Schwingung zu versetzen, dass die Werkzeugspitze (31) innerhalb des Lichtstrahls (23) schwingt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, mit einem Werkzeughalter (11) zum Aufnehmen des Werkzeugs (3); einer in dem Werkzeughalter (11) angeordneten Sensoreinrichtung (12) zum Erzeugen eines Sensorsignals aus der Schwingung des Werkzeugs (3); einer Einrichtung (44) zum Ermitteln einer Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs (3) aus dem Sensorsignal in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3); und einer Einrichtung (45) zum Ermitteln der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) aus dem Sensorsignal.
Vorrichtung nach Anspruch 19, mit einer Einrichtung (46) zum schrittweise Variieren der Schwingungsfrequenz der Schwingung des Werkzeugs (3), und einer Einrichtung (47) zum Zuordnen der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) zu der Schwingungsfrequenz, wobei die Einrichtung (47) zum Zuordnen der Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) zu der Schwingungsfrequenz dazu eingerichtet ist, bei jedem Schritt der Schwingungsfrequenz eine entsprechende Schwingungsamplitude des Werkzeugs (3) zuzuordnen.
Werkzeugmaschine (1), mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Werkzeugmaschine (1) dazu eingerichtet ist, die Schwingungsamplitude der Schwingung des Werkzeugs (3) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zu bestimmen.